大溫差空調水系統節能效果

汪洋

（中鐵建設集團有限公司 基礎設施事業部，北京 100040）

1 工程簡介

某站房總建筑面積18.3 萬m2，地板表面太陽輻射強、圍護結構壁面溫度高、單位面積熱指標高。室內工作人員最高聚集人數5 000人，潛熱較大。

為降低輸配系統能源消耗，系統采用大溫差空調水設計，通過降低系統水流量，間接控制冷凍水泵功率，從而達到節能目的（20%節能）。

2 供回水溫度確定與負荷積累分布

2.1 供回水溫差

采用一次回風方式，測量各項參數確定空調水系統供回水溫度。常規冷凍水供回水溫度為7～12 ℃，本系統范圍有所擴大，即6～13 ℃。以控制調節、末端設備能力、溫差控制等為指標，根據主流制冷設備性能，確定本系統最大溫差值為8 ℃。供回水溫差見圖1。

圖1 供回水溫差

當溫差為7 ℃時，節能效果較8 ℃降低了4%，但流量增加了10%，有助于水系統可調性的增加。綜合節能與流量2項指標，本系統選取7 ℃為供回水溫差。

2.2 負荷積累分布

系統運行期間，負荷主要分布在50%～80%，該部分負荷率占據總運行時間約為70%。負荷累計分布見圖2。

圖2 負荷累計分布

隨著時間的推移，負荷累計量越大，負荷百分比隨之增加。當負荷百分比達到70%時，增加頻率最大。

3 大溫差空調水系統設計

決定空調運行水溫的因素包括空調送風狀態、冷卻水與冷凍水出水溫度、末端表冷器特性、負荷特點、水管道特性5項，因此在設計大溫差空調水系統時，著重探究這些影響因素。

3.1 送風狀態

通過空氣處理，實現室內熱濕負荷滿足需求。確定產濕量、得熱量、空氣狀態3項指標數值后可以繪制出熱濕比線，則曲線最低送風溫度值（S1）為確定參數。當冷凍水溫度降低時，送風溫度（S2）將隨之降低，下達溫度控制命令，室內濕度及空氣狀態焓值也出現下降趨勢，使得產生的焓差增大［1］。

為降低空調機組造價，降低能量消耗，可以通過采取降低供水溫度方式減少送風量，實現預期操控目標。在實際應用中，回水溫度的調節雖然可以控制送風狀態，但是冷凍水溫度將被限制到某一特定范圍［2］。

所以，不可任意增加水溫差達到節能目的，需結合其他指標設置情況進行綜合分析后確定。

3.2 冷卻水與冷凍水出水溫度

水溫變化對冷水機組工作效率影響較大，冷水機組效率隨著冷凍水出水溫度的降低而下降［3］。當冷凍水溫度在5～10 ℃時，位于出水口的水溫每降低1 ℃，機組效率將隨之下降3%～4%。如果水溫下降超出特定范圍5～10 ℃，那么機組效率下降幅度將超出4%。通常情況下，冷水機組正常運行水溫在4 ℃以上。因此在設計冷水機組時，設置冷凍水供水溫度下限值范圍4～5 ℃。

相比于冷凍水溫，冷卻水出水口水溫的變化對機組運行效率造成的影響更大［4］。當溫度在30～39 ℃時，冷卻機組效率隨著溫度的提升而下降，下降幅度在2～3倍。當水溫超過40 ℃時，離心機工作效率下降速度較快。

考慮到冷卻塔進水溫度的提升，可以在一定程度上增加進出風焓差，有利于冷卻塔風機功率的控制。因此，在設計大溫差空調水系統時，將冷卻塔進水溫度作為操控指標之一。

3.3 末端表冷器特性

末端表冷器水管內流速下降時，換熱量將隨之減少。因此，可以通過調節流量控制換熱量。目前，采用比較多的控制方式是在換熱器銅管水側添加擾流器，當溫差在5～8 ℃時，可以增強換熱，超過8 ℃以后，控制作用逐漸減小。為了滿足大溫差空調水功耗控制需求，適當增加換熱面積，維持制冷量，以供空調系統正常運行。

3.4 負荷特點

大溫差系統作業期間，可能會出現功率較大情況，同時部分負荷功率較小。為有效控制空調水系統能耗，通過調節負荷運輸時間，達到節能目的。在系統參數設計中，通過調查同類項目空調水系統運行特點，取負荷數據。為降低能耗，結合負荷與溫度、管徑等參數之間的關系，設置多種工況計算負荷數值。并將其作為系統設計指標，通過多項指標綜合功率計算，確定最佳工況。

3.5 水管道特性

水管道對空調水系統運行具有一定阻礙作用，其產生阻力影響系統功耗。將5 ℃水溫差作為參照，計算水泵功率比值：

式中：N 為溫差為Δt 時對應的水泵功率；N5為溫差為5 ℃時水泵作業功率。

由式（1）可知，水泵功率比隨著溫差的增加而減小，所以，在大溫差控制情況下，有助于水泵功率的調節，達到節能目的。

4 系統應用節能效果分析［5-7］

4.1 方案對比

基于大溫差空調水系統設計方案研究中各參數特性，選取為冷卻水供回水溫度、冷凍水供回水溫度、冷凍水流量、冷水機組效率、蒸發器降壓、冷卻水主管管徑、冷凍水水泵揚程、單臺冷水機組功率、冷卻水水泵功率、冷凍水水泵功率、冷卻塔功率、冷水機組房額定工況、冷水機組房額定功率作為項目指標，設置不同數值，形成5組系統應用節能方案（見表1），從而探究最佳方案。其中，水溫配比設計是根據供回水溫度范圍界定。

表1 節能方案設定

4.2 節能效果評價

按照表1 中設定的5 組方案，開展節能對比試驗，通過觀察冷機電耗、冷卻塔電耗、水泵電耗3 項指標，判定最佳節能方案（見表2）。

表2 不同方案對比統計

通過對比表2中節能效果可知，5組方案中，整體節能效果最佳的是方案5（節能20.31%），且水泵能耗占比也是最低值（僅有11.48%），達到預期節能目標。方案4與方案5相比，冷機電耗和冷卻塔電耗相同，只是水泵電耗相對較高，導致能耗偏高，節能效果偏低。因此，在設計大溫差空調水系統時，應加大對冷凍水水泵揚程、冷卻水水泵揚程的重視，以17 m和14 m為最佳設定值。

5 結束語

從節能角度探究了大溫差空調水系統設計方案，通過分析系統特性，確定系統水溫影響核心因素，擬定大溫差空調水系統調節方案。該方案選取多個指標，設定不同參數值，測試系統應用節能效果。測試結果表明，冷機電耗、冷卻塔電耗差距不大，水泵電耗相差最多，對空調機組運行能耗影響較大。為進一步降低機組能耗，可以通過降低水泵電耗實現。